Zasada działania i urządzenie silnika elektrycznego

Każdy silnik elektryczny jest przeznaczony do wykonywania pracy mechanicznej ze względu na zużycie przyłożonej do niego energii elektrycznej, która zwykle jest przekształcana w ruch obrotowy. Chociaż w technologii istnieją modele, które natychmiast tworzą ruch translacyjny ciała roboczego. Są to tak zwane silniki liniowe.

W instalacjach przemysłowych silniki elektryczne napędzają różne maszyny do obróbki skrawaniem metali oraz urządzenia mechaniczne biorące udział w technologicznym procesie produkcji.

Wewnątrz urządzeń gospodarstwa domowego silniki elektryczne napędzają pralki, odkurzacze, komputery, suszarki do włosów, zabawki dla dzieci, zegary i wiele innych urządzeń.

Podstawowe procesy fizyczne i zasada działania

Podczas poruszania się w środku pole magnetyczne ładunki elektryczne, zwane prądami elektrycznymi, zawsze mają siłę mechaniczną, która ma tendencję do odchylania ich kierunku w płaszczyźnie prostopadłej do orientacji linii pola magnetycznego.Kiedy prąd elektryczny przepływa przez metalowy drut lub cewkę z niego wykonaną, siła ta ma tendencję do poruszania/obracania każdego drutu przewodzącego prąd i całej cewki jako całości.

Zdjęcie poniżej pokazuje metalową ramkę, przez którą przepływa prąd. Przyłożone do niego pole magnetyczne wytwarza siłę F dla każdej gałęzi ramy, co powoduje ruch obrotowy.

Ta właściwość oddziaływania energii elektrycznej i magnetycznej, polegająca na wytworzeniu siły elektromotorycznej w zamkniętej pętli przewodzącej, jest stosowana w każdym silniku elektrycznym. Jego konstrukcja obejmuje:

• cewka, przez którą przepływa prąd elektryczny. Umieszczona jest na specjalnym rdzeniu kotwicy i zamocowana w łożyskach obrotowych w celu zmniejszenia oporów na siły tarcia. Ten projekt nazywa się wirnikiem;

• stojan, który wytwarza pole magnetyczne, które swoimi liniami sił przenika ładunki elektryczne przechodzące wzdłuż zwojów uzwojenia wirnika;

• obudowa do umieszczenia stojana. Wewnątrz korpusu wykonane są specjalne gniazda, wewnątrz których osadzone są zewnętrzne koszyki łożysk wirnika.

Uproszczony projekt najprostszego silnika elektrycznego można przedstawić za pomocą rysunku o następującej postaci.

Podczas obracania się wirnika generowany jest moment obrotowy, którego moc zależy od ogólnej konstrukcji urządzenia, ilości dostarczonej energii elektrycznej i jej strat podczas konwersji.

Wielkość maksymalnej możliwej mocy momentu obrotowego silnika jest zawsze mniejsza niż przyłożona do niego energia elektryczna. Charakteryzuje się wartością sprawności.

Rodzaje silników elektrycznych

W zależności od rodzaju prądu przepływającego przez cewki są one podzielone na silniki prądu stałego lub prądu przemiennego.Każda z tych dwóch grup ma dużą liczbę modyfikacji z wykorzystaniem różnych procesów technologicznych.

Silniki prądu stałego

Mają pole magnetyczne stojana wytwarzane przez nieruchomą nieruchomą magnesy trwałe lub specjalne elektromagnesy z cewkami wzbudzającymi. Cewka twornika jest mocno osadzona w wale, który jest zamocowany w łożyskach i może swobodnie obracać się wokół własnej osi.

Podstawową budowę takiego silnika pokazano na rysunku.

Na rdzeniu twornika, wykonanym z materiałów ferromagnetycznych, znajduje się cewka składająca się z dwóch połączonych szeregowo części, które z jednej strony połączone są z przewodzącymi płytami kolektorowymi, az drugiej strony ze sobą. Dwie szczotki grafitowe znajdują się na przeciwległych końcach zwory i są dociskane do powierzchni stykowych płyt kolektora.

Dodatni potencjał źródła prądu stałego jest przykładany do dolnej szczotki wzoru, a potencjał ujemny do górnej. Kierunek prądu płynącego przez cewkę jest pokazany przerywaną czerwoną strzałką.

Prąd powoduje, że pole magnetyczne ma biegun północny w lewym dolnym rogu twornika i biegun południowy w prawym górnym rogu twornika (reguła kardana). Powoduje to odpychanie się biegunów wirnika od biegunów stacjonarnych o tej samej nazwie i przyciąganie do przeciwległych biegunów stojana. W wyniku przyłożonej siły następuje ruch obrotowy, którego kierunek wskazuje brązowa strzałka.

Przy dalszym obrocie twornika przez bezwładność bieguny są przenoszone na inne płyty kolektora. Kierunek prądu w nich jest odwrócony. Wirnik dalej się obraca.

Prosta konstrukcja takiego kolektora prowadzi do dużych strat energii elektrycznej.Silniki takie pracują w urządzeniach o prostej konstrukcji lub zabawkach dla dzieci.

Silniki elektryczne prądu stałego zaangażowane w proces produkcji mają bardziej złożoną konstrukcję:

• cewka jest podzielona nie na dwie, ale na kilka części;

• każda sekcja cewki jest zamontowana na własnym biegunie;

• urządzenie kolektora jest wykonane z określonej liczby pól kontaktowych zgodnie z liczbą zwojów.

W rezultacie powstaje płynne połączenie każdego bieguna poprzez jego płytki stykowe ze szczotkami i źródłem prądu, a straty energii są zmniejszone.

Urządzenie takiej kotwicy pokazano na zdjęciu.

W silnikach prądu stałego kierunek obrotów wirnika można odwrócić. Aby to zrobić, wystarczy zmienić ruch prądu w cewce na przeciwny, zmieniając biegunowość u źródła.

Silniki prądu przemiennego

Różnią się one od poprzednich konstrukcji tym, że prąd elektryczny płynący w ich cewce jest opisany wzorem sinusoidalne prawo harmoniczneokresowo zmieniając swój kierunek (znak). Do ich zasilania dostarczane jest napięcie z generatorów o znakach naprzemiennych.

Stojan takich silników jest wykonywany przez obwód magnetyczny. Wykonany jest z płytek ferromagnetycznych z rowkami, w których umieszczone są zwoje cewki w konfiguracji ramkowej (cewki).

Synchroniczne silniki elektryczne

Poniższe zdjęcie pokazuje zasadę działania jednofazowego silnika prądu przemiennego z synchronicznym obrotem pól elektromagnetycznych wirnika i stojana.

W rowkach obwodu magnetycznego stojana na przeciwległych końcach umieszczone są druty uzwojenia, schematycznie pokazane w postaci ramy, przez którą przepływa prąd przemienny.

Rozważmy przypadek momentu w czasie odpowiadającego przejściu dodatniej części jego półfali.

W komórkach łożyska wirnik z wbudowanym magnesem trwałym obraca się swobodnie, w którym północne „ujście N” i południowe „ujście S” bieguna są wyraźnie określone. Kiedy dodatnia półfala prądu przepływa przez uzwojenie stojana, powstaje w nim pole magnetyczne o biegunach „S st” i „N st”.

Między polami magnetycznymi wirnika i stojana powstają siły oddziaływania (przy odpychaniu biegunów i przyciąganiu biegunów), które mają tendencję do obracania twornika silnika z dowolnego położenia do skrajnego, gdy przeciwne bieguny znajdują się jak najbliżej siebie inny.

Jeśli weźmiemy pod uwagę ten sam przypadek, ale w momencie, gdy przeciwny - ujemna półfala prądu przepływa przez drut ramy, wówczas obrót twornika nastąpi w przeciwnym kierunku.

Aby zapewnić ciągły ruch wirnika w stojanie, nie wykonuje się jednej ramy uzwojenia, ale pewną ich liczbę, biorąc pod uwagę, że każda z nich jest zasilana oddzielnym źródłem prądu.

Zasada działania trójfazowego silnika prądu przemiennego z obrotami synchronicznymi, pola elektromagnetyczne wirnika i stojana pokazano na poniższym rysunku.

W tej konstrukcji trzy cewki A, B i C są zamontowane wewnątrz obwodu magnetycznego stojana, przesunięte względem siebie o kąt 120 stopni. Cewka A jest oznaczona na żółto, B na zielono, a C na czerwono. Każda cewka jest wykonana z tych samych ramek, co w poprzednim przypadku.

W każdym razie na zdjęciu prąd przepływa tylko przez jedną cewkę w kierunku do przodu lub do tyłu, co jest oznaczone znakami „+” i „-”.

Kiedy dodatnia półfala przechodzi przez fazę A w kierunku do przodu, oś pola wirnika przyjmuje położenie poziome, ponieważ bieguny magnetyczne stojana są uformowane w tej płaszczyźnie i przyciągają ruchomy twornik. Przeciwne bieguny wirnika mają tendencję do zbliżania się do biegunów stojana.

Kiedy dodatnia półfala przejdzie w fazę C, twornik obróci się o 60 stopni zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Po przyłożeniu prądu do fazy B nastąpi podobny obrót twornika. Każdy kolejny przepływ prądu w kolejnej fazie kolejnego uzwojenia będzie obracał wirnik.

Jeśli do każdego uzwojenia zostanie przyłożone trójfazowe napięcie sieciowe przesunięte o kąt 120 stopni, wówczas będą w nich krążyć prądy przemienne, które będą obracać twornik i tworzyć jego synchroniczny obrót z przyłożonym polem elektromagnetycznym.

Ta sama konstrukcja mechaniczna jest z powodzeniem stosowana w trójfazowym silniku krokowym… Tylko w każdym uzwojeniu poprzez sterowanie specjalny kontroler (sterownik silnika krokowego) Stałe impulsy są stosowane i usuwane zgodnie z algorytmem opisanym powyżej.

Ich uruchomienie uruchamia ruch obrotowy, a ich zakończenie w określonym momencie zapewnia odmierzony obrót wału i zatrzymanie pod zaprogramowanym kątem w celu wykonania określonych operacji technologicznych.

W obu opisanych układach trójfazowych istnieje możliwość zmiany kierunku obrotów twornika. Aby to zrobić, wystarczy zmienić kolejność faz „A” — „B” — „C” na inną, na przykład „A” — „C” — „B”.

Prędkość wirnika jest regulowana długością okresu T. Jej zmniejszenie prowadzi do przyspieszenia obrotów.Wielkość amplitudy prądu w fazie zależy od rezystancji wewnętrznej uzwojenia i wartości przyłożonego do niego napięcia. Określa wielkość momentu obrotowego i moc silnika elektrycznego.

Silniki asynchroniczne

Te konstrukcje silników mają taki sam obwód magnetyczny stojana z uzwojeniami jak we wcześniej omówionych modelach jednofazowych i trójfazowych. Swoją nazwę zawdzięczają asynchronicznemu obrotowi pól elektromagnetycznych twornika i stojana. Odbywa się to poprzez poprawę konfiguracji wirnika.

Jego rdzeń jest wykonany z rowkowanych płyt ze stali elektrotechnicznej. Wyposażone są w aluminiowe lub miedziane przewodniki prądowe, które na końcach twornika są zamknięte pierścieniami przewodzącymi.

Gdy napięcie jest przyłożone do uzwojeń stojana, w uzwojeniu wirnika indukowany jest prąd elektryczny i powstaje pole magnetyczne twornika. Kiedy te pola elektromagnetyczne oddziałują na siebie, wał silnika zaczyna się obracać.

Przy tej konstrukcji ruch wirnika jest możliwy dopiero po wystąpieniu wirującego pola elektromagnetycznego w stojanie i jest kontynuowany z nim w asynchronicznym trybie pracy.

Silniki asynchroniczne mają prostszą konstrukcję, przez co są tańsze i znajdują szerokie zastosowanie w instalacjach przemysłowych oraz sprzęcie AGD.

Silnik elektryczny ABB w wykonaniu przeciwwybuchowym

Silniki liniowe

Wiele korpusów roboczych mechanizmów przemysłowych wykonuje ruch posuwisto-zwrotny lub translacyjny w jednej płaszczyźnie, co jest niezbędne do działania maszyn do obróbki metali, pojazdów, uderzeń młotkiem podczas wbijania pali ...

Przesuwanie takiego korpusu roboczego za pomocą przekładni, śrub kulowych, napędów pasowych i podobnych urządzeń mechanicznych z obrotowego silnika elektrycznego komplikuje konstrukcję. Współczesnym rozwiązaniem technicznym tego problemu jest działanie liniowego silnika elektrycznego.

Jego stojan i wirnik są wydłużone w postaci pasków, a nie zwinięte w pierścienie, jak w obrotowych silnikach elektrycznych.

Zasada działania polega na nadaniu wirnikowi biegacza ruchu posuwisto-zwrotnego w wyniku przeniesienia energii elektromagnetycznej ze stacjonarnego stojana z otwartym obwodem magnetycznym o określonej długości. W jego wnętrzu powstaje działające pole magnetyczne poprzez sekwencyjne włączanie prądu.

Działa na uzwojenie twornika z kolektorem. Siły powstające w takim silniku poruszają wirnik tylko w kierunku liniowym wzdłuż elementów prowadzących.

Silniki liniowe są zaprojektowane do pracy na prąd stały lub przemienny i mogą pracować w trybie synchronicznym lub asynchronicznym.

Wady silników liniowych to:

• złożoność technologii;

• wysoka cena;

• niska efektywność energetyczna.